【（自动）运动控制系统】学习笔记
课程：运动控制系统
参考书目：《自动控制系统》第二版 北京邮电大学 任彦硕 赵一丁
本课程概念理解偏多，故梳理全书，查阅资料，整理于此博文，望能帮到大家
运动控制系统
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- 一、课后习题
- 二、直流调速
- 三、变流调速
- 四、简答
- 五、计算
一、课后习题
U1 绪论
自动控制系统结构七个环节：给定环节、放大环节、执行环节、控制对象、反馈环节、比较环节、校正环节
自动控制系统举例（三选一）：
（一）速度给定控制系统
对 A 点列节点电流方程为：
某一时刻开始直流电动机转轴上负载转矩增加了一个恒定量，起始时，由于电动机输出功率还未来得及增大，转速将降低。使得测速发电机分压值 Un 降低，I2 < I1，I3 增大，给电容充电，Uct 增大，Ud 增大，使电动机输出转矩增大，转速回升。达到新平衡。
若某一时刻负载扰动量消失了，电动机输出功率还未来得及减小，转速将增大。使得发电机分压值 Un 增大，I2 > I1，I3 减小，电容放电，Uct 减小，Ud 减小，使得电动机输出转矩减小，转速下降。达到新平衡。
（二）导弹发射架方位随动控制系统
当输入一个信号 θ，经过模/数转换成数字量到单片机，发射架旋转角度作为反馈量经光电编码器编成数码输入给单片机，单片机经运算后输出一个数字量，经过数/模转换成离散的模拟量，再经保持器连续化后，经放大器，由电机拖动发射架旋转相应的角度。
（三）玻璃窑炉的温度控制系统
该系统为串级控制（多闭环控制）系统，主回路由控制器 TC1、检测熔池底部温度的温度变送器 TT1 和副控制回路由控制器 TC2、熔炉的碹顶温度变送器 TT2、燃料油流量调节阀及被控对象组成。
池底温度表征玻璃液温度。碹顶温度变化会造成玻璃液温度波动。当扰动使碹顶温度变化但玻璃液温度未变时，副回路中的控制器及时动作，调节调节阀开度，改变燃料油流量，克服扰动量影响。主回路检测的是碹底温度，当影响到碹底温度时，由 TT1 检测出来，并由主回路控制器TC1动作，及时修正碹顶温度设定值，加强对扰动量的抑制控制，使玻璃液温度稳定。
U2 自动控制系统基础
2.2 试述比例、积分、微分控制规律对控制系统相应性能的影响。
- 比例：能及时调节偏差，但会有静态偏差，比例过强会引起系统不稳定。
- 积分：只要有偏差，就会消除偏差，直至偏差为零，积分过强会使被调参数超调，引起系统震荡。
- 微分：能提前对偏差进行预报，减少调节时间，改善系统动态特性，微分过强会引起系统不稳定。
2.4 检测电流的元件有哪些？它们分别是如何接入系统的？
- 交流电流互感器
- 直流电流互感器
- 霍尔电流传感器（交、直皆可测）
（2）检测温度的方式和元件有哪些？检测量是什么？
① 接触式
- 热电阻元件：温度->阻值
- 热电偶：温度->电动势
② 非接触式
- （辐射式/红外式）温度计：温度->热辐射功率
2.5 测量气体中的含氧量用什么元件？它的工作原理如何？测量含氧量有何用途？
- 氧化锆氧量计：利用氧化锆固体电解质作为敏感元件，将氧含量转化为电信号。
- 原理：氧浓差电池的生成过程
- 用途：检测锅炉中烟气的含氧量，控制风量达到最佳燃烧状态。
2.7 H 型可逆 PWM 有几种？
可逆 PWM 变换器可以实现控制系统的正反转控制。
- 双极式
- 单级式
- 受控单级式
U3 单闭环直流电机调速控制系统
3.1 电动机运行时的电压、电流、功率、温升能否超过额定值？电动机的温升与哪些因素有关？电动机需降温时，可以采取什么措施？
答： 不能。与环境温度（外界因素）与电流强度有关。
- 负载过大，减轻负载或更换较大容量电动机。
- 风道堵塞，清理风道灰尘。
- 环境温度过高，可以采用风冷的方式降温。
3.3 三相全桥式整流电路需要几个触发器？各触发器的同期电压如何提取？它们由同一电压型号控制时的工作顺序如何？
答： 6 个。在三相整流变压器的三相铁心上，每相缠绕与原边绕组同相和反相的相同匝数的同期绕组各一个，可得到六相同期绕组，将其按导电顺序接到 6 个晶闸管的触发电路作为同期电压信号。
3.4 3.5 计算
U4 转速和电流双闭环直流调速系统
4.1 在双闭环调速系统中，转速调节器的作用是什么？其限幅值按什么要求设计？电流调节器的作用是什么？其限幅值按什么要求设计？
(1) 转速调节器（ASR）：
作用：
- 使转速n很快的跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可以实现无静差
- 对负载变化起抗扰作用
设计：转速调节器的限幅值应按电枢回路允许的最大电流来进行整定。
(2) 电流调节器（ACR）
作用：
- 使电流紧紧跟随给定电压Ui*变化；
- 对电网电压的波动起及时抗扰的作用；
- 在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程；
- 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用；
设计：电流调节器的最大值应该按变换电路允许的最大控制电压来整定。
4.2 正常工作时，欲改变双闭环调速系统的转速，调节哪一个元件的参数可以实现？分别改变转速调节器的放大倍数、电子变换器的放大倍数、转速反馈系数行不行？改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？
答： 由 Un* = αne 可知，改变电机的转速，需要调节转速调节器的转速反馈系数 α 和速度给定量 Un*；不行；不行；改变调节速度反馈系数 α 可以。由 Ui* = βId 可知若要改变电机的堵转电流，需要调节电流反馈系数 β 和电流给定量 Ui*。
U5 交流调速系统概述
U6 异步电动机变压变频调速系统
二、直流调速
1、转矩控制是运动控制的根本问题，磁链控制与转矩控制同样重要。
2、数字测速中，M法测速适用于高速，T法测速适用于低速。
3、单闭环比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。
4、积分、PI 调节器能消除被控制量稳态误差。
5、转速电流双闭环调速系统应先设计电流环。
6、PI调节器的传递函数：W（s） =Kpi（τs+1）/τs
7、无差系统的调速范围应由电动机的功率和负载所需的功率大小决定。
8、正常运行时，ACR调节器是不会饱和的。
9、一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标以跟随性能为主。
10、直流调速控制系统的稳态性能指标包括静差率和调速范围。
11、在PI（比例积分调节）调节过程中，比例部分的作用是迅速响应控制，积分部分的作用是消除稳态误差。
12、在三相桥式逆变器中，有180和120导通型换相方式，其中同一排不同桥臂的左、右两管之间互相换相称为120导通型逆变器‘’；同一时刻总有2个开关器件导通，每个晶闸管的导电角度为120，这期间要经历一次换相。换相时，如果VT1的触发脉冲已消失，则会因换相过程中VT1的电流瞬间消失而截止。防止的方法是采用宽脉冲或双窄脉冲。另一方法是在整流电路输出回路中串联平波电抗器。
13、在双闭环脉宽调速系统中，PWM 变换器完成的是功率放大的功能。
14、可以测速的元件有直流测速发电机、光电编码器；可以控制角度的元件有控制式自整角机。
三、变流调速
1、恒压频比控制方式是指给异步电动机供电的电压和频率之比为常数。
2、异步电动机基于稳态模型的控制方法有调压调速和变压变频调速；基于动态数学模型的高性能控制方法有 VC/FOC（矢量控制/磁场定向控制） 和 DTC（直接转矩控制） 。
3、异步电动机变压变频调速控制特性曲线中，基频以下调速称为恒转矩调速，基频以上调速称为恒功率调速。
4、控制变频器逆变部分的常见的脉冲宽度调制技术有（1）以追求电压正弦为目的的电压 SPWM 控制技术，（2）以追求电流正弦为目的的电流 SPWM 控制技术，（3）以追求磁链正弦为目的 SVPWM 控制（磁链跟踪控制/电压空间矢量PWM）技术。
5、转差频率控制的两个基本特点是：（1）定子电压和频率比协调控制保持气隙磁通恒定；（2）气隙磁通不变时，电磁转矩与转差频率成正比。
6、电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电流和磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的乘积产生感应电动势。
7、异步电动机可以看成双输入双输出系统。
8、三相异步电动机的机械特性方程为 
，临界转差率为
。
9、定子电流进行3s/2s（三相静止/两相静止） 变换的公式是
，2s/2r（两相静止/两相旋转） 变化的公式是 
。
10、不同电动机的物理模型彼此等效的原则是：①在不同坐标系中所产生的磁动势相同；②变换前后总功率不变。
11、旋转坐标系下，异步电动机电磁转矩方程为
，其中 ird 表示 dq 坐标系下转子 d 轴电流。
12、dq坐标系磁链方程…，其中 Ls 为 dq 坐标系定子等效两相绕组的自感，Lr 为 dq 坐标系转子等效两相绕组的自感。
13、异步电动机无论是三相静止坐标系、两相静止坐标系，还是两相旋转坐标系下其动态数学模型，都必须由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程式构成。（速记：磁电转运）
14、欲产生旋转磁动势，除了单相以外，其余多相均可产生。
15、定、转子绕组间的互感是变量是三相异步电动机数学模型非线性的根源之一。
16、三相异步电动机在三相轴系上的数学模型的性质是：多变量、高阶、非线性、强耦合系统。
17、异步电动机的数学模型从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系后，电压方程的维数从6维降到4维。虽然阶次降低了，但其非线性、多变量、强耦合的性质未发生改变。
18、异步电动机在两相同步旋转坐标系的特点是：当三相静止ABC坐标系中的电压和电流是交流正弦时，变换到两相同步旋转的dq坐标系就成为了直流。
19、异步电动机在两相MT坐标系上：异步电动机可以像在直流电动机中分别控制电枢电流和励磁电流一样，实现对异步电动机转矩和磁通的有效控制。
20、在绕线转子串电阻调速中，通过调节外接电阻来调速，R越大，s越大，n越低。
21、在定子调压调速中，通过调节定子绕组电压来调速，U越小，n越小，s越大。
22、在电磁转差离合器调速中，通过调节励磁电流来调速。I越小，n越低。
23、在绕线式转子串级调速中，通过调节交流附加电动势 Edd 的赋值和相位，来调速。
24、变频调速系统在恒压频比控制时，最大转矩 Temax 是随着 ω1 的降低而减小。
25、直接转矩控制的特点：①在定子坐标系下分析；②以定子磁场定向，只需定子参数；③通过控制电压矢量直接控制转矩；④转矩和磁链都采用两点式调节器。
26、基本电压空间矢量作用顺序所遵循的原则是：每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。
27、在直接转矩控制中，不论是按六边形轨迹控制还是按圆形轨迹控制，都需要已知定子磁链。
28、异步电动机主要有鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机两种。
四、简答
1、简述电压正弦波脉宽调制法的基本思路。
答：以频率与期望的输出电压波相同的正弦波为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角形波为载波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法是电压SPWM调制。
2、通用型变频器基频以下变频调速时为什么要变压？
答：为保持电机主磁通恒定，因为主磁通太小电机利用不充分，太大会烧坏电机。根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值 Eg = 4.44f1NskNSφm（其中 f1 为定子频率；Ns 为定子每相绕组串联匝数；kNS 为定子基波绕组系数；φm 为每极气隙磁通），可知 φm 的值由 Eg/f1 决定，但 Eg 难以直接控制，当电动势较高时，以定子相电压 U1 代替。所以在基频以下调频时，为保证两比值不变，故要变压。
3、何谓电流截止负反馈？它主要解决什么问题？在电动机正常运行时它是否起作用？
答：当电流达到一定程度时才出现的负反馈叫做电流截止负反馈。它是为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。正常运行时，它不起作用。
4、如果需要调速的生产机械对静差率要求较高，可否用开环调速系统，为什么？应该如何解决这个问题？
答：不能。因为静差率是指电动机稳定运行时，负载由理想空载增加到额定值时的转速降落 △ne 与理想空载转速 n0 之比，在开环调速系统中，转速出现偏差时，它不能纠正偏差。要想减小静差率应该用转速反馈的闭环系统，因为反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统。
5、描述图异步电动机的等效直流电动机模型，解释该模型为什么称为等效直流电动机模型。
答：在设计矢量控制系统时，可以认为在控制器后面引入的反旋转变换器 VR-1 与电动机内部的旋转变换环节 VR 抵消，2/3 变换器与电机内部的 3/2 变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图中虚线框内部分完全可以删去，剩下的就是直流调速系统了。
6、转差频率控制的基本思想，并简述其基本规律。
答：基本思想是在保持气隙磁通 φ 恒定不变的前提下，可以通过控制转差角频率 ωs 来控制转矩。
转差频率控制的基本规律：
（1）在转差角频率小于临界转差率即 ωs＜ωsm 范围内，异步电动机的转矩基本上与转差角频率成正比，条件是保持气隙磁通不变。
（2）在不同的定子电流时，按照一定的函数关系如 Us=f(ω1,Is) 来控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。
7、请从电感矩阵方面说明异步电动机非线性强耦合的根本原因。为了简化数学模型，常采用哪些坐标变换，坐标变换的原则是什么？约束条件是什么？以及在约束条件下，坐标变换矩阵有何特点？
答：定转子间的相对位置在变化，所以定转子间的互感总是变化的，导致电感矩阵是变参数。常用的坐标变换包括 3/2 变换、静止/旋转（2s/2r）变换；变化的原则是产生的磁动势相等；约束条件是变换前后的总功率不变。特点是变换阵的转置矩阵与其逆矩阵相等。
8、简要说明异步电动机变频调速时，在额定频率以上和额定频率以下，定子电压与频率的控制规律。
答：异步电动机变压变频调速时希望保持气隙磁通恒定。
（1）基频以下调速原则：φm 恒定，U 与 f1 同时增大或减小。即 Eg/f1=k*φm，由于电机绕组中的电动势难以直接测量和控制，当 Eg较高时，忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为定子相电压 U≈Eg，则由 Us/f1 =常值。为恒转矩调速。低频时适当提高定子电压，补偿电子阻抗压降。
（2）基频以上调速原则：频率从 f1N 向上升高，因为定子电压 U 小于等于 UsN，最多只能保持 U=UsN，所以当 f1 升高，减少气隙磁通 φm，使定子电压 U=UsN，电机转速升高，转矩降低，为恒功率调速。
9、如何理解“转矩控制是运动控制的根本”。
答：运动控制系统的任务是控制转矩和转角，而要控制转矩和转角，唯一的途径是控制电动机的电磁转矩 Te，使转速变化率按照人们的期望变化。
10、异步电机矢量控制变频调速的基本思想是什么？并用结构简图描述。
答：通过坐标变换，再按转子磁场定向同步旋转，得到等效的直流电机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩和磁链，然后通过相应的坐标反变换求得交流电动机的控制量，以实施控制。（下图等效直流电动机模型直接简化）
11、简述异步电机直接转矩控制变频调速的基本思想。
答：在定子坐标系下，利用空间矢量的概念，对定子磁链定向，以此建立电动机的数学模型；通过易于测量的定子电压电流和转速等，计算出电动机的定子磁链和转矩，直接对磁链和转矩进行控制。
12、比较异步电机 FOC 与 DTC 控制的优缺点。
13、什么情况下需要对定子电压进行补偿？补偿的原则是什么？
答：基频以下，定子漏磁阻抗压降不可忽略。原则是近似使补偿后的 Us/f1 约等于恒值。
14、简述零矢量分散方法的特点。
答：每个周期均以零矢量开始，并以零矢量结束，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，损耗略大于集中法。
五、计算
1.M/T法求转速（P13）
2.双极型可逆 PWM 变换器的占空比 ρ（P29）
3.直流电动机单闭环的稳态设计（P61）
4.直流电动机双闭环的稳态设计（P75）
每日必翻，早看晚看，运控牢记
本人才疏学浅，难免会有疏漏及错误，望大家指正。